文件的基本概念

文本文件和二进制文件的差异

• 存储方式
  • 文本文件：以字符编码形式存储，例如 ASCII 码。每个字符（如字母、数字、标点符号）都有对应的编码值，存储时按编码值的二进制形式写入文件。例如，字符 ‘A’ 的 ASCII 码是 65，在文件中存储为二进制的 01000001。
  • 二进制文件：直接以数据在内存中的二进制表示形式存储。例如，一个整数 10 在内存中以 32 位二进制 00000000 00000000 00000000 00001010 存储，在二进制文件中也是这样的形式。
• 可读性
  • 文本文件：可以用文本编辑器直接查看和编辑，因为其内容是人类可读的字符。
  • 二进制文件：用文本编辑器打开会显示乱码，因为它存储的是二进制数据，需要特定的程序来解析。
• 应用场景
  • 文本文件：常用于存储配置信息、日志文件、代码文件等，方便人类查看和修改。
  • 二进制文件：常用于存储图像、音频、视频等多媒体数据，以及程序的中间数据、数据库文件等，能更高效地存储和处理大量数据。

文件指针

FILE 结构体

FILE 结构体是一个复杂的数据结构，包含了文件操作所需的各种信息，不同的编译器实现可能会有所不同，但通常包含以下几个重要成员：

• 文件状态信息：记录文件的打开模式、是否出错、是否到达文件末尾等状态。
• 文件缓冲区指针：指向用于文件读写的缓冲区，以提高文件操作的效率。
• 文件当前位置指针：指示当前文件读写的位置。

文件指针的初始化和赋值

在使用文件指针之前，需要将其初始化为 NULL，以避免成为野指针。例如：

FILE *fp = NULL;

当使用 fopen 函数打开文件后，将返回的文件指针赋值给 fp，此时 fp 就指向了打开的文件。

文件打开与关闭

常见操作

文件的打开

使用fopen函数来打开一个文件，其原型如下：

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

• filename：要打开的文件的名称，可以包含文件的路径。
• mode：打开文件的模式，常见的模式有：
  • "r"：以只读模式打开文本文件，文件必须存在。
  • "w"：以写入模式打开文本文件，如果文件不存在则创建，如果文件存在则清空文件内容。
  • "a"：以追加模式打开文本文件，如果文件不存在则创建，写入的数据将追加到文件末尾。
  • "rb"：以只读模式打开二进制文件，文件必须存在。
  • "wb"：以写入模式打开二进制文件，如果文件不存在则创建，如果文件存在则清空文件内容。
  • "ab"：以追加模式打开二进制文件，如果文件不存在则创建，写入的数据将追加到文件末尾。
  • "r+"：以读写模式打开文本文件，文件必须存在。
  • "w+"：以读写模式打开文本文件，如果文件不存在则创建，如果文件存在则清空文件内容。
  • "a+"：以读写模式打开文本文件，如果文件不存在则创建，写入的数据将追加到文件末尾，在读取数据前需要将文件指针移动到文件开头。
  • "rb+"、"wb+"、"ab+"：分别对应二进制文件的读写模式。
• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以写入模式打开文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 文件操作...fclose(fp);return 0;
}

文件的关闭

使用fclose函数来关闭一个已打开的文件，其原型如下：

int fclose(FILE *stream);

stream：要关闭的文件指针。
返回值：如果文件关闭成功，返回 0；否则返回 EOF（-1）。

常见问题

打开文件时的路径问题

• 绝对路径：完整地指定了文件在文件系统中的位置，从根目录开始。
  • 在 Windows 系统中，“C:\Users\Username\Documents\test.txt”；
  • 在 Linux 系统中，“/home/username/Documents/test.txt”。
• 相对路径：相对于当前工作目录的路径。例如，当前工作目录是 /home/username，要打开 Documents 目录下的 test.txt 文件，可以使用相对路径 “Documents/test.txt”。

打开文件失败的常见原因

• 文件不存在：使用 “r”、“r+”、“rb”、“rb+” 等模式打开文件时，如果文件不存在，fopen 会返回 NULL。
• 权限不足：没有足够的权限访问文件或目录，例如在 Linux 系统中，尝试以写入模式打开一个只读文件。
• 文件被占用：文件正在被其他程序使用，无法同时打开。

fclose 函数的重要性

关闭文件不仅可以释放系统资源，还可以确保文件缓冲区中的数据被正确写入磁盘。如果不关闭文件，可能会导致数据丢失或文件损坏。例如，在程序结束时，如果没有调用 fclose 关闭文件，缓冲区中的数据可能不会被写入文件。

文件读写操作

常见操作

字符读写

• fgetc函数：从文件中读取一个字符，其原型如下：

int fgetc(FILE *stream);

返回值：如果读取成功，返回读取的字符；如果到达文件末尾或发生错误，返回 EOF。

• fputc函数：向文件中写入一个字符，其原型如下：

int fputc(int c, FILE *stream);

c：要写入的字符。
返回值：如果写入成功，返回写入的字符；如果发生错误，返回 EOF。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以写入模式打开文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 写入字符fputc('H', fp);fputc('e', fp);fputc('l', fp);fputc('l', fp);fputc('o', fp);fclose(fp);// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 读取字符int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {putchar(ch);}fclose(fp);return 0;
}

字符串读写

• fgets函数：从文件中读取一行字符串，其原型如下：

char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);

str：用于存储读取的字符串的字符数组。
n：最多读取的字符数（包括字符串结束符 ‘\0’）。
返回值：如果读取成功，返回 str；如果到达文件末尾或发生错误，返回 NULL。

• fputs函数：向文件中写入一个字符串，其原型如下：

int fputs(const char *str, FILE *stream);

str：要写入的字符串。
返回值：如果写入成功，返回非负数；如果发生错误，返回 EOF。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以写入模式打开文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 写入字符串fputs("Hello, World!\n", fp);fclose(fp);// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 读取字符串char buffer[100];while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {printf("%s", buffer);}fclose(fp);return 0;
}

格式化读写

• fscanf函数：从文件中按照指定的格式读取数据，其原型如下：

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);

stream：要读取的文件指针。
format：格式化字符串，指定读取数据的格式。
返回值：成功匹配并赋值的输入项的数量，如果到达文件末尾或发生错误，返回 EOF。

• fprintf函数：向文件中按照指定的格式写入数据，其原型如下：

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

stream：要写入的文件指针。
format：格式化字符串，指定写入数据的格式。
返回值：成功写入的字符数，如果发生错误，返回负数。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以写入模式打开文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 写入格式化数据int num = 10;float f = 3.14;fprintf(fp, "整数: %d, 浮点数: %f\n", num, f);fclose(fp);// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 读取格式化数据int read_num;float read_f;fscanf(fp, "整数: %d, 浮点数: %f", &read_num, &read_f);printf("读取的整数: %d, 读取的浮点数: %f\n", read_num, read_f);fclose(fp);return 0;
}

二进制读写

• fread函数：从文件中读取二进制数据，其原型如下：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

ptr：用于存储读取数据的内存地址。
size：每个数据项的大小（字节数）。
nmemb：要读取的数据项的数量。
返回值：实际读取的数据项的数量。

• fwrite函数：向文件中写入二进制数据，其原型如下：

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

ptr：要写入的数据的内存地址。
size：每个数据项的大小（字节数）。
nmemb：要写入的数据项的数量。
返回值：实际写入的数据项的数量。

• 示例代码：

#include <stdio.h>typedef struct {int id;char name[20];
} Student;int main() {FILE *fp;// 以二进制写入模式打开文件fp = fopen("students.dat", "wb");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 写入二进制数据Student s = {1, "John"};fwrite(&s, sizeof(Student), 1, fp);fclose(fp);// 以二进制只读模式打开文件fp = fopen("students.dat", "rb");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 读取二进制数据Student read_s;fread(&read_s, sizeof(Student), 1, fp);printf("ID: %d, Name: %s\n", read_s.id, read_s.name);fclose(fp);return 0;
}

常见问题

字符读写的性能考虑

• 缓冲区机制：fgetc 和 fputc 函数在读写字符时，会使用文件缓冲区。当调用 fputc 写入字符时，字符先被写入缓冲区，当缓冲区满或调用 fclose 时，缓冲区中的数据才会被写入磁盘。同样，调用 fgetc 读取字符时，会先从缓冲区中读取，如果缓冲区为空，则从磁盘读取一批数据到缓冲区。
• 频繁读写的性能问题：由于每次调用 fgetc 或 fputc 都可能涉及到缓冲区的操作，频繁的字符读写会导致性能下降。在需要大量读写字符时，可以考虑使用 fread 和 fwrite 函数进行批量读写。

字符串读写的边界问题

• fgets 函数的截断问题：fgets 函数最多读取 n - 1 个字符，然后在末尾添加字符串结束符 ‘\0’。如果文件中的一行字符数超过 n - 1，则会截断该行，剩余的字符会在下一次调用 fgets 时读取。
• fputs 函数的换行问题：fputs 函数不会自动添加换行符，需要手动添加。例如：

fputs("Hello\n", fp);

格式化读写的精度和错误处理

• 格式化精度：在使用 fscanf 和 fprintf 进行格式化读写时，需要注意格式化字符串的精度。例如，使用 %.2f 可以控制浮点数的输出精度为两位小数。
• 错误处理：fscanf 函数在读取数据时，如果输入数据的格式与格式化字符串不匹配，可能会导致读取错误。可以通过检查 fscanf 的返回值来判断是否读取成功。

二进制读写的字节序问题

• 字节序：在不同的计算机系统中，整数等多字节数据的存储方式可能不同，分为大端字节序（Big Endian）和小端字节序（Little Endian）。大端字节序将高位字节存储在低地址，小端字节序将低位字节存储在低地址。
• 跨平台问题：在进行二进制文件读写时，如果涉及到跨平台操作，需要注意字节序的问题。可以通过字节序转换函数（如 htons、htonl、ntohs、ntohl）来确保数据的正确读写。

文件指针的定位

在文件操作过程中，有时需要移动文件指针的位置，以便在文件的不同位置进行读写操作。

常见操作

fseek函数

• fseek函数用于将文件指针移动到指定的位置，其原型如下：

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

stream：要操作的文件指针。
offset：偏移量，以字节为单位。
whence：偏移的起始位置，有三个可选值：
SEEK_SET：从文件开头开始偏移。
SEEK_CUR：从当前文件指针位置开始偏移。
SEEK_END：从文件末尾开始偏移。
返回值：如果成功，返回 0；否则返回非零值。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 将文件指针移动到文件开头偏移3个字节的位置fseek(fp, 3, SEEK_SET);int ch = fgetc(fp);printf("读取的字符: %c\n", ch);fclose(fp);return 0;
}

ftell函数

• ftell函数用于获取当前文件指针的位置，其原型如下：

long ftell(FILE *stream);

stream：要操作的文件指针。
返回值：当前文件指针相对于文件开头的偏移量（字节数），如果发生错误，返回 - 1。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 获取当前文件指针的位置long pos = ftell(fp);printf("当前文件指针位置: %ld\n", pos);fclose(fp);return 0;
}

rewind函数

• rewind函数用于将文件指针移动到文件开头，其原型如下：

void rewind(FILE *stream);

stream：要操作的文件指针。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}// 移动文件指针到文件末尾fseek(fp, 0, SEEK_END);// 将文件指针移动到文件开头rewind(fp);int ch = fgetc(fp);printf("读取的字符: %c\n", ch);fclose(fp);return 0;
}

常见应用场景

fseek 函数的偏移量计算

• 正数和负数偏移：fseek 函数的偏移量 offset 可以是正数或负数。正数表示向文件末尾方向偏移，负数表示向文件开头方向偏移。例如，fseek(fp, -10, SEEK_CUR) 表示将文件指针从当前位置向文件开头方向移动 10 个字节。
• 偏移量的范围：偏移量的范围受到文件大小和系统限制的影响。在某些系统中，偏移量可能不能超过文件的最大长度。

ftell 函数的应用场景

文件大小计算：可以通过将文件指针移动到文件末尾，然后使用 ftell 函数获取文件指针的位置，从而得到文件的大小。例如：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}fseek(fp, 0, SEEK_END);long size = ftell(fp);printf("文件大小: %ld 字节\n", size);fclose(fp);return 0;
}

文件错误处理

常见操作

ferror函数

ferror函数用于检查文件操作是否发生错误，其原型如下：

int ferror(FILE *stream);

stream：要检查的文件指针。
返回值：如果发生错误，返回非零值；否则返回 0。

feof函数

feof函数用于检查文件指针是否到达文件末尾，其原型如下：

int feof(FILE *stream);

stream：要检查的文件指针。
返回值：如果到达文件末尾，返回非零值；否则返回 0。

• 示例代码：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只读模式打开文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {putchar(ch);}if (ferror(fp)) {printf("文件读取发生错误\n");} else if (feof(fp)) {printf("到达文件末尾\n");}fclose(fp);return 0;
}

clearerr 函数

clearerr 函数用于清除文件的错误标志和文件结束标志，其原型如下：

void clearerr(FILE *stream);

stream：要操作的文件指针。

在发生错误后，可以使用 clearerr 函数清除错误标志，以便继续进行文件操作。例如：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {if (ferror(fp)) {printf("文件读取发生错误\n");clearerr(fp); // 清除错误标志}putchar(ch);}fclose(fp);return 0;
}

自定义错误处理函数

可以编写自定义的错误处理函数，以便在文件操作发生错误时进行统一处理。例如：

#include <stdio.h>void handle_file_error(FILE *fp, const char *message) {if (ferror(fp)) {perror(message);clearerr(fp);}
}int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {handle_file_error(fp, "文件读取错误");putchar(ch);}fclose(fp);return 0;
}